Metoder og kriterier: Fordeler, ulemper og dilemmaer

Dos métodos disponíveis no Aspen Adsorption, o único que conseguiu encontrar solução para o sistema analisado foi o UDS1. A explicação para os outros métodos não convergirem são oscilações e instabilidades na solução, fugindo dos limites físicos do problema (Aspen Adsim, 2005). 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 C /C o tempo (s) Exp CO 2 - Rios et al. (2014) Exp N 2 - Rios et al. (2014) Sim CO2 - 50 nodos Sim N 2 - 50 nodos Sim CO 2 - 100 nodos Sim N2 - 100 nodos Sim CO 2 - 500 nodos Sim N 2 - 500 nodos Sim CO2 - 1000 nodos Sim N 2 - 1000 nodos

Figura 23 - Análise de sensibilidade da curva de ruptura simulada do leito fixo em relação ao número de nós.

Simulações foram realizadas aumentando o número de nós de 50 para 100, 500 e até 1000 nós. A Figura 23 deixa claro que, com o aumento do número de nós, os dados simulados conseguem reproduzir mais fielmente o experimento. O tempo de ruptura se aproxima mais do analisado experimentalmente, com erros percentuais menores que 5%, entretanto, ainda há diferença entre a curva simulada e os pontos experimentais depois do ponto de inflexão, relacionada aos efeitos térmicos do sistema (Bastos-Neto, 2011). Vale ressaltar que, para o dimensionamento de processos de adsorção, mais importante é o comportamento da curva de breakthrough até o início da saturação, ou seja, o tempo de ruptura. Portanto, os

erros adicionados ao formado da curva depois do ponto de inflexão pelo modelo proposto não comprometem o dimensionamento desses processos.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 298 299 300 301 302 303 304 305 T e mp e ra tu ra F a se G a so sa (K) tempo (s)

Sim gPROMS - Correia et al. (2014) Sim ASPEN - 50 nodos

Sim ASPEN - 100 nodos Sim ASPEN - 500 nodos Sim ASPEN - 1000 nodos

Figura 24 - Análise de sensibilidade do histórico de temperatura da fase gás simulado em relação ao número de nós.

Analisando a Figura 24, pode-se perceber que o aumento do número de nós também reproduz de forma mais exata o historico de temperatura da fase gás de acordo com os dados reportados em Correia et al. (2014). No entanto, ainda é percebida uma grande dispersão de calor (evidenciada pela cauda longa do histórico de temperatura), o que pode explicar o distanciamento da curva simulada em relação aos dados experimentais na curva de ruptura depois do ponto de inflexão.

O aumento no número de nós para resolução do modelo aumenta consideravelmente o tempo computacional e, de acordo com as figuras anteriores, pode-se perceber que não há ganho de resolução significativo ao aumentar a quantidade de nós de 500 para 1000. Para um número de nós acima de 500, o tempo computacional para resolução do sistema passa a ser injustificável. Como é interessante que esse tempo seja o menor possível e já que não há tanta diferença qualitativa entre os resultados com 100 e com 500 nós, 100 nós é um número razoável, já que consegue retratar o sistema com precisão significativa num tempo aceitável. As diferenças entre os valores das temperaturas estão provavelmente relacionadas às diferenças entre as equações que descrevem a transferência de energia térmica no sistema dos dois modelos (o presente e o das literaturas analisadas), uma vez que o modelo deste trabalho assume que

variações axiais de concentração não afetam significativamente o fluxo de calor do sistema, ao contrário do modelo disponível nas duas literaturas estudadas. Outra discrepância entre os modelos diz respeito aos fatores geométricos utilizados por Rios et al. (2014) e por Correia et al. (2014), propostos por Santos (2001). O Aspen Adsorption não apresenta a possibilidade de mudar o cálculo desses fatores, sendo os mesmos calculados a partir da espessura da parede e do diâmetro interno da coluna como descreve a Equação 8.

4.1.4.2 Parâmetros de Transferência de Massa

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 C /C o tempo (s)

Exp CO2 - Rios et al. (2014)

Exp N2 - Rios et al. (2014)

Sim CO 2 - MTC Sim N2 - MTC Sim CO2 - 1,5MTC Sim N 2 - 1,5MTC Sim CO2 - 0,5MTC Sim N2 - 0,5MTC

Figura 25 - Análise de sensibilidade da curva de ruptura simulada em relação ao coeficiente de transferência de massa.

Para esta análise, foi utilizada uma malha com 100 nós, de acordo com o exposto no item anterior. O aumento da dispersão axial ( ) de massa faz com que a frente de adsorção (representada pela curva de breakthrough) seja mais achatada, uma vez que prejudica a transferência de massa. Quanto menor o valor desse coeficiente, mais íngreme é a curva de ruptura. O mesmo comportamento é observado para o coeficiente de transferência de massa (�� ), uma vez que um valor alto desse coeficiente representa que as moléculas fluem mais facilmente da fase gás para dentro das partículas de adsorvente, aumentando a velocidade do processo de adsorção e, consequentemente, saturando o leito mais rapidamente.

A Figura 25 mostra que uma variação de ±50% nos coeficientes de transferência de massa não influência muito o tempo de ruptura do sistema. Variações maiores que esses valores fazem com que o método não consiga achar solução com a modelagem proposta.

Para estudar o efeito do coeficiente de dispersão axial de massa, foi necessário definir o valor do coeficiente de transferência de calor entre a fase gás e a fase sólida ( � ) como sendo igual a 1, de tal forma que represente o mesmo comportamento analisado nos perfis de temperatura, ou seja, temperatura da fase gasosa aproximadamente igual à da fase sólida (Aspen Adsim, 2005). Essa definição foi utilizada para não incorporar na análise o efeito da mudança do � , uma vez que este parâmetro estava sendo estimado a partir do coeficiente de dispersão de massa. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Exp CO 2 - Rios et al. (2014) Exp N 2 - Rios et al. (2014) Sim CO2 - Dz Sim N2 - Dz Sim CO2 - 10Dz Sim N2 - 10Dz Sim CO2 - 0,1Dz Sim N2 - 0,1Dz

Sim CO2 - Convection Only

Sim N2 - Convection Only

C

/C

o

tempo (s)

Figura 26 - Análise de sensibilidade da curva de ruptura simulada em relação à dispersão axial de massa.

Pela Figura 26, é fácil ver que variações no parâmetro de dispersão axial de massa não causam grandes mudanças no formato da curva de ruptura, mesmo quando a dispersão é desconsiderada (Convection Only). Esse comportamento evidencia que a dispersão observada é imposta ao sistema pelo método de discretização UDS1 (Aspen Adsim, 2005).

4.2 Processo Pressure Swing Adsorption

A partir do sistema experimental desenvolvido por Rios et al. (2014), foi realizado um scale-up da coluna mantendo-se o tempo espacial constante. Com a coluna dimensionada para carbono ativado C141, foi proposta um esquema de adsorção de duas colunas baseado no ciclo Skarstrom para separação do dióxido de carbono a partir da mistura 15 % de CO2 e 85% de N2 em base molar. Tal ciclo foi escolhido devido à sua simplicidade e à disponibilidade de dados comparativos na literatura. Foram realizados estudos de sensibilidade para compreender o comportamento do sistema com relação ao rendimento de separação do componente de interesse. Por fim, para a mesma configuração da PSA, foi estudado o efeito da mudança de sólido adsorvente para o carbono ativado WV 1050.

4.2.1 Estimativa de Parâmetros

Antes do início da simulação da PSA, alguns parâmetros precisam ser estimados a partir de dados de equilíbrio experimentais para o carbono ativado C141 presentes na literatura analisada de acordo com as suposições em simplificações do modelo do processo.